數(shù)字圖像處理教學(xué)中的問(wèn)題及教學(xué)改革的論文
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字圖像捕獲設(shè)備的成本越來(lái)越低，體積越來(lái)越小巧，性能越來(lái)越高。近幾年，海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)都獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，降低了圖像的存儲(chǔ)、傳輸和處理的成本。基于數(shù)字圖像處理的計(jì)算視覺(jué)技術(shù)開(kāi)始滲透到社會(huì)生產(chǎn)和日常生活的方方面面，如工件質(zhì)量檢測(cè)、交通監(jiān)控、社區(qū)安防等離不開(kāi)圖像處理技術(shù)。近幾年許多高校把數(shù)字圖像處理作為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、電子信息工程和通信工程等專(zhuān)業(yè)的必修課或者專(zhuān)業(yè)方向選修課開(kāi)設(shè)。然而，數(shù)字圖像處理技術(shù)是集光學(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科的一門(mén)綜合性邊緣科學(xué)[1].數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容涉及的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)偏多、圖像處理方法復(fù)雜、應(yīng)用廣泛，無(wú)論是教師想要上好這門(mén)課，還是學(xué)生想要學(xué)好這門(mén)課，難度都不小。
根據(jù)應(yīng)用型本科院校教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中遇到的各種情況，本文總結(jié)了教學(xué)過(guò)程中遇到的幾個(gè)典型問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況和培養(yǎng)目標(biāo)，提出了關(guān)于數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法的一些建議。
1教學(xué)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題
數(shù)字圖像處理[2]課程涉及的理論基礎(chǔ)知識(shí)比較多，內(nèi)容廣泛，學(xué)時(shí)有限，學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱等因素都給本門(mén)課程的教學(xué)工作增加了難度。這門(mén)課程一般安排在第六或第七學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)熟悉了校園環(huán)境，適應(yīng)了大學(xué)生活，對(duì)于大學(xué)生活沒(méi)有了新鮮感和美好的憧憬，隨之而來(lái)的是焦慮、迷茫和浮躁。總得來(lái)說(shuō)，主要有兩個(gè)方面的問(wèn)題。
�。�1）對(duì)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)定位不合理，方法不得當(dāng)。有些同學(xué)把學(xué)好具體的課程知識(shí)點(diǎn)當(dāng)作課程學(xué)習(xí)的最高目的；有些同學(xué)得過(guò)且過(guò)，沒(méi)有明確的目標(biāo)的，把應(yīng)付期末考試當(dāng)作學(xué)習(xí)的目標(biāo)，考前死記硬背，考后除了成績(jī)單上的數(shù)字之外，收效甚微。對(duì)于大學(xué)生來(lái)說(shuō)，校園里每一門(mén)功課除了傳授專(zhuān)業(yè)知識(shí)之外，具體知識(shí)之外的內(nèi)容也同樣不容忽視。學(xué)習(xí)一門(mén)課程的目的往往不僅僅在于知識(shí)本身，尤其像《數(shù)字圖像處理》這種綜合性比較強(qiáng)的課程更是如此。在課程學(xué)習(xí)的過(guò)程中，碰到問(wèn)題、面臨各種困惑和挫折感，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題以及與同學(xué)老師互動(dòng)過(guò)程中，訓(xùn)練了一個(gè)人的邏輯思維能力，磨練了一個(gè)人的心智，也培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作的能力。另外，學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理不僅僅可以學(xué)習(xí)到數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論基礎(chǔ)和方法，也是對(duì)前期所學(xué)的先修課程的一次檢驗(yàn)和強(qiáng)化訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會(huì)更好的應(yīng)用數(shù)學(xué)的工具分析和解決數(shù)字圖像處理的工程問(wèn)題。
�。�2）學(xué)生理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，涉及數(shù)學(xué)理論學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力。數(shù)字圖像處理涉及傅里葉變換、小波變換等數(shù)學(xué)分析工具，這些基礎(chǔ)學(xué)科的理論基礎(chǔ)是應(yīng)用型本科院校學(xué)生的短板，再加上學(xué)時(shí)有限，多數(shù)同學(xué)面對(duì)公式推導(dǎo)和理論分析的時(shí)候，知難而退。另有一些同學(xué)在學(xué)習(xí)的過(guò)程中過(guò)于專(zhuān)注于圖像處理數(shù)字理論推導(dǎo)和具體算法的分析，限于自身薄弱的數(shù)學(xué)功底，限入深?yuàn)W的數(shù)學(xué)漩渦，倍感身心疲憊，打擊了學(xué)習(xí)的興趣和自信心。
2教學(xué)方法初探
針對(duì)教學(xué)過(guò)程上遇到的上述問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況和應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)目標(biāo)，筆者試著從教學(xué)指導(dǎo)思想、教學(xué)內(nèi)容安排以及數(shù)學(xué)理論處理方法上入手，實(shí)踐和思考數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的思路。
2.1確立重過(guò)程輕結(jié)果的教學(xué)指導(dǎo)思想
雖然數(shù)字圖像處理作為信息類(lèi)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)工程知識(shí)和強(qiáng)化自然科學(xué)理論的應(yīng)用雙重任務(wù)，但是一個(gè)大學(xué)生的成長(zhǎng)不是一蹴而就，也不是任何一門(mén)單一的課程可以決定的，因此，鍛煉學(xué)生的邏輯思維、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，盡最大限度挖掘?qū)W生自學(xué)的能力，幫助學(xué)生樹(shù)立自信心，接受和包容學(xué)生的多樣性，幫助學(xué)生做更好的自己一樣不容忽視。
首先，從思想上接受和認(rèn)可學(xué)生，不以學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)劣給學(xué)生貼標(biāo)簽。經(jīng)過(guò)高考選拔進(jìn)入應(yīng)用型本科院校的學(xué)生，多數(shù)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性有限，自然學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)也相對(duì)薄弱，對(duì)于枯燥的理論知識(shí)望而卻步。然而，這些學(xué)生中也不乏思維活躍，生性活潑好動(dòng)，樂(lè)于與同學(xué)交流，善于動(dòng)手實(shí)踐者�，F(xiàn)實(shí)社會(huì)對(duì)理論知識(shí)深厚、文化素養(yǎng)高的科研型人才的需求量相對(duì)是比較少的，實(shí)踐操作能力強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)型和技能型的人才才是社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的生力軍。有些學(xué)生專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)成績(jī)不好，原因往往是多方面的，可能是因?yàn)橥度霑r(shí)間少，學(xué)習(xí)興趣不高，課程本身難度高；也可能是學(xué)生已有明確的成長(zhǎng)目標(biāo)，本該課程不在其計(jì)劃之內(nèi)。筆者就遇到不少學(xué)生，專(zhuān)業(yè)課成績(jī)一般，卻各懷絕技，比如在游戲開(kāi)發(fā)、自己創(chuàng)業(yè)和社會(huì)實(shí)踐等方面表現(xiàn)突出。
此外，在言語(yǔ)上多鼓勵(lì)學(xué)生，在行動(dòng)上多幫助學(xué)生。雖說(shuō)大學(xué)生已是成年人，理論上，內(nèi)因才是決定一個(gè)大學(xué)生能否成材的主要因素，大學(xué)生應(yīng)當(dāng)積極發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，不恥下問(wèn)，主動(dòng)學(xué)習(xí)。實(shí)際上，獲得別人的肯定和夸獎(jiǎng)是人類(lèi)共同的心理需要，曾有學(xué)者經(jīng)過(guò)調(diào)查研究驗(yàn)證了鼓勵(lì)對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣密切關(guān)系[3].因此，教師可以創(chuàng)造各種機(jī)會(huì)，多與學(xué)生交流，了解學(xué)生的真正需要，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的優(yōu)點(diǎn)，有針對(duì)性地鼓勵(lì)學(xué)生，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)點(diǎn)并一步一步實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)。
最后，在教學(xué)過(guò)程中嚴(yán)格要求，在最后考試的時(shí)候放松要求。第一節(jié)課，明確考核要求，公布考核方法。在考核標(biāo)準(zhǔn)的制定上，偏重學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)態(tài)度，弱化結(jié)果的考核，把考核當(dāng)作一次幫助學(xué)生檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的手段，而不是目的。不需要在考核上給學(xué)生太大的壓力，讓學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸的情緒。
2.2合理安排教學(xué)內(nèi)容
數(shù)字圖像處理[4]主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：數(shù)字圖像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論和數(shù)字圖像處理的應(yīng)用。其中基本概念部分主要介紹圖像信息的采集及其數(shù)字化表示、數(shù)字圖像顯示與存儲(chǔ)以及圖像處理的各種基本運(yùn)算；數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論主要介紹數(shù)字圖像處理過(guò)程中常用的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)分析工具，包括線性濾波、傅立葉變換、離散余弦變換和小波變換等；數(shù)字圖像處理應(yīng)用部分包括圖像復(fù)原、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮與編碼、圖像分割等內(nèi)容。
由于學(xué)時(shí)有限，在教學(xué)內(nèi)容的安排上，不能一味求全，面面俱到。圖像的基本概念部分是整個(gè)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)，這一部分應(yīng)當(dāng)細(xì)講，尤其是圖像的表示、存儲(chǔ)和各種基本運(yùn)算等，需要結(jié)合案例并應(yīng)用MATLAB仿真平臺(tái)演示，力求做到吃透圖像的基礎(chǔ)理論部分，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打開(kāi)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論和數(shù)字工具部分著重介紹空間域的線性濾波變換和傅里葉變換與分析，這部分內(nèi)容比較抽象，結(jié)合案例和上機(jī)實(shí)驗(yàn)反復(fù)操練，讓學(xué)生慢慢接受。最后數(shù)字圖像處理的應(yīng)用部分問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)具體應(yīng)用問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模，不同的應(yīng)用需要采用不同的數(shù)學(xué)模型，這一部分可以根據(jù)學(xué)時(shí)的多少和教學(xué)進(jìn)度，優(yōu)先講解比較基礎(chǔ)的圖像復(fù)原和圖像增強(qiáng)兩個(gè)部分，而圖像壓縮編碼和圖像分割部分可以作為選講內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)時(shí)安排確定是否講解。
2.3數(shù)學(xué)理論是工具，不是目的
在數(shù)字圖像處理這門(mén)課程的教學(xué)過(guò)程中，不可避免地需要面對(duì)許多數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)分析。喜歡追根問(wèn)底的同學(xué)，隨著年齡的增長(zhǎng)，面于一堆的數(shù)學(xué)公式，可能腦中條件反射地冒出了一串問(wèn)號(hào)：為什么要對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換？為什么要進(jìn)行周期延拓？為什么可以這樣變換？等式的兩邊真的可以相等嗎？為什么要用正交基？不把所有公式推導(dǎo)一遍，所有的問(wèn)題問(wèn)個(gè)明白，就會(huì)本能地拒絕接受新的知識(shí)和理論，沒(méi)有辦法繼續(xù)課程的學(xué)習(xí)。而對(duì)于習(xí)慣性選擇記憶的方式來(lái)接受新知識(shí)的同學(xué)，面對(duì)一堆看似毫無(wú)規(guī)律的數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)過(guò)程，可能直接就繳械投降了。
所以，處理好數(shù)學(xué)公式和理論分析部分在課程內(nèi)容教學(xué)中的位置也是教學(xué)成敗的關(guān)鍵因素之一。建議采用問(wèn)答式教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生分層思考問(wèn)題的習(xí)慣，把數(shù)學(xué)當(dāng)作一種工具，而不需要深入去研究所有的數(shù)學(xué)公式，就像做豆腐的師傅不需要知道黃豆是怎么種出來(lái)的一樣。下面以傅里葉變換為例來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題。傅里葉變換在數(shù)字圖像處理中只是一種手段，一種工具，這種工具可以暴露圖像的頻域特征，使得我們可以從另一個(gè)角度觀察圖像。圖像中的高頻信息對(duì)應(yīng)圖像中邊緣、紋理等變化較大的部分，而低頻部分對(duì)應(yīng)圖像中的整體亮度和變換緩慢的部分。首先在MATLAB平臺(tái)，對(duì)一個(gè)8X8的矩陣執(zhí)行傅立葉變換，并顯示變換前后的矩陣內(nèi)容，指出高頻系數(shù)和低頻系數(shù)在矩陣中的位置，再執(zhí)行傅里里反變換并與原始矩陣進(jìn)行比較，讓學(xué)生直觀地了解傅立葉變換的過(guò)程。然后，再任選一幅灰度圖像，對(duì)其應(yīng)用傅里葉變換，顯示其頻譜圖（因?yàn)轭l譜往往超出圖像所能表示的動(dòng)態(tài)范圍，一般在顯示之前需要對(duì)其執(zhí)行灰度變換以便肉眼觀察），引導(dǎo)學(xué)生觀察圖像的頻譜特征。接著，把變換后的傅里葉系數(shù)的低頻和高頻成份分別置零，再進(jìn)行傅立葉反變換，觀察缺失了低頻或高頻成分之后的對(duì)應(yīng)圖像，并與原圖做比較，讓學(xué)生分析圖像高低頻成分分別反應(yīng)原圖像的什么特征。最后，再列出傅里葉變換的公式，解釋一下各個(gè)參數(shù)的意義，幫助理解，不要求學(xué)生死記硬背公式。
3結(jié)論
數(shù)字圖像處理這門(mén)課程涉及多個(gè)學(xué)科的交叉知識(shí)，涉及的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)比較復(fù)雜，應(yīng)用廣，教學(xué)難度比較大，學(xué)生學(xué)習(xí)困難。筆者在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)了應(yīng)用型本科院校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題，并提出來(lái)一些探索性的教學(xué)改革方法，取得了一定的成效.
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